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ω
棱台体积：V = [ y + y + y y ]
3 1 2 1 2
图 2 典型工况冰塞剖面

6 组冰塞模拟试验的水力条件如表 1 所示。为保证实验数据的完整性及多样性，试验分别设置
了同等流量及冰量体积、不同河床坡降（条件 1 和条件 2）；同等流量和河床坡降、不同冰量体积（条
件 1 和条件 3）；同等河床坡降和冰量体积、不同流量（条件 5 和条件 6）等条件下的冰塞试验。每组
试验形成稳定的冰塞剖面后，从下游至上游沿水流逆向每隔 2.54 cm 对冰塞顶部、冰塞底部及水面
线高程等进行测量，测量误差控制在毫米级，同一测点测量三次后取平均，以减小随机误差。稳
定冰塞剖面的底部相对平滑，两个相邻测点间近似为棱台状，以已知数量的冰块体积和多个棱台
总体积为基础，冰塞孔隙率体积及孔隙率百分比即可获得；6 组模拟试验的冰塞孔隙率均在 0.39～
［24］
0.51 之间，接近野外实测冰塞孔隙率 0.4 。采用 SonTek 二维手持声学多普勒流速仪，测定每组冰
塞剖面不同冰厚下垂线流速分布，从河床底部开始，每隔 0.0127 cm 测定一个流速值，单点测速时
间为 20 s。

表 1 冰塞模拟试验条件

实验数 流量 Q/(m /s) 河床坡度 S 0 冰塞长度 L/m 最大冰厚 t i/cm 孔隙率 P 冰块数量
3
1 0.0286 0.00118 1.53 20.2 0.4787
1012
2 0.0286 0.00035 1.60 15.2 0.5057
3 0.0286 0.00118 1.83 26.2 0.4324
4 0.0283 0.0016 2.18 18.7 0.3950
5 0.0292 0.00242 2.74 20.6 0.4163 4896
6 0.0244 0.00242 2.23 22.7 0.4805
2.2 理论基础 基于冰塞下垂线流速分布及冰塞剖面形状，河道内沿程水面坡降、渗流面积及渗流

流速等参数均可直接或间接获得，在此基础上，以河床糙率、渗流阻力及冰盖底部糙率等造成的能
量损失大小为依据，进行水流阻力特征分析。冰塞剖面形成后，河道内水流阻力主要包含冰塞底部
糙率、河床底部糙率及渗流阻力三部分，各部分阻力的能量损失变化是造成上下游水位差异的关键
因素 ［28］ 。
冰塞河段总能量损失坡降 S 如下式所示：
f
S = S f i + S f b + S fs （1）
f
其对应的总能量损失量 h 如下式：
t
h = h + h + h s （2）
i
b
t
式中： S 、S 和 S 分别为冰塞底部糙率能量损失坡降、河床底部糙率及渗流阻力引起的能量损
f i
fs
f b
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